GRAF, Heiko (Vesouler Strasse 7, Gerlingen, 70839, DE)
HASSELKUSS, Ewald (Im Keiferle 64, Fellbach, 70734, DE)
FRONIUS, Jürgen (Schulstrasse 7, Walheim/Neckar, 74399, DE)
GRAF, Heiko (Vesouler Strasse 7, Gerlingen, 70839, DE)
HASSELKUSS, Ewald (Im Keiferle 64, Fellbach, 70734, DE)
| Patentansprüche 1 . Werkzeugmaschine mit einem Maschinengestell, mit einer am Maschinengestell drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Maschinen- spindel (10), mit mindestens einem an der Maschinenspindel (10) einwechselbaren Bearbeitungskopf (12), der ein mit einer Aufnahme der Maschinenspindel (10) kompatibles Kupplungselement aufweist, und mit einem Drehübertrager (16) für die Datenübertragung zwischen einem gestellfesten Stator (18) und einem spindelfesten Rotor (20), da- durch gekennzeichnet, dass die Maschinenspindel (10) eine Mehrzahl von spindelseitigen Funktionsmodulen (28', 28", 28"') sowie ein einen Bestandteil eines Spindelbus (30) bildendes Leitungssystem aufweist, an das die spindelseitigen Funktionsmodule (28', 28", 28"') unter Bildung von Teilnehmerstationen des Spindelbus (30) angeschlossen sind, und dass der Spindelbus (30) über die Drehübertragungsstrecke (16) mit einem gestellfesten Feldbus (32) kommuniziert. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelbus (30) einen mit dem gestellfesten Feldbus (32) vorzugs- weise über einen Feldbusadapter (38) kommunizierenden rotorfesten Protokollkonverter (48) aufweist. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenspindel (10) mindestens ein spindelseitiges Funktonsmodul (28', 28", 28"') aus der Gruppe Temperatursensor, Schwingungssensor, Kraftsensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor, Sperrluftsensor, Schmierzustandssensor, Drehzahlsensor, Beschleunigungssensor, Relativbeschleunigungssensor als Messglied und/oder aus der Gruppe Sperrluftventil, Stellantrieb, pneumatisches oder hyd- raulisches Magnetventil, Schmiermitteldosierer, Kühlmitteldosierer, Spindelmotor als Aktor aufweist. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (12) eine Mehrzahl von kopfseitigen Funktionsmodulen (34', 34", 34"') sowie ein einen Kopfbus (36) bildendes Leitungssystem aufweist, an das die kopfseitigen Funktionsmodule (34', 34", 34"') unter Bildung von Teilnehmern des Kopfbus (36) angeschlossen sind, wobei der Kopfbus (36) über eine Trennstelle (14) mit dem Spindelbus (30) kommuniziert. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfbus (36) an der Trennstelle (14) galvanisch an den Spindelbus (30) angeschlossen ist oder über einen Protokollkonverter (50) mit diesem kommuniziert. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (12) mindestens ein kopfseitiges Funktionsmodul (34', 34", 34"') aus der Gruppe Linear- oder Drehschieber, Stellantrieb, Antriebsmotor, Drehgeber, Positionssensor, Dosierer, Heizelement aufweist. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (12) mindestens ein kopfseitiges Funktionsmodul (34', 34", 34"') mit einem Werkzeug aus der Gruppe Schneidwerkzeug, Bohrwerkzeug, Fräswerkzeug, Reibwerkzeug, Schweißwerkzeug, Lötwerkzeug, Härtungswerkzeug, Beschich- tungswerkzeug, Beschriftungswerkzeug, Reinigungswerkzeug, Messwerkzeug, Kamera aufweist. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelbus (30) und/oder der Kopfbus (36) als standardisierter Feldbus, vorzugsweise als CAN-Bus oder LIN-Bus ausgebildet ist. 9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehübertragungsstrecke (16) an dem vom Bearbeitungskopf (12) abgewandten Ende der Maschinenspindel (10) angeordnet ist. 10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (12) einen motorisch antreibbaren Schieber zur Aufnahme eines Werkzeugs sowie ein geregeltes Positionierungssystem für den Schieber aufweist. 1 1 . Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehübertragungsstrecke (16) eine Sende- und Empfangseinheit für die berührungslose bidirektionale Datenübertragung aufweist. 12. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehübertragungsstrecke (16) zusätzlich eine Sende- und Empfangseinheit für die berührungslose und/oder galvanische Energieübertragung aufweist. |
Werkzeugmaschinen dieser Art werden zu vielfältigen fertigungstechnischen und messtechnischen Aufgaben eingesetzt. Üblicherweise werden mit den verschiedenen einwechselbaren Bearbeitungsköpfen spanende Bearbeitungen von metallischen Werkstoffen, Kunststoffen oder Holz durchgeführt. Für nicht rotationssymmetrische Werkstücke besteht die Möglichkeit, eine der Drehmaschine ähnliche Bearbeitung mit drehender Spindel auszuführen, die durch die Maschinenkinematik getragen zusätzliche translatorische Frei- heitsgrade zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf zulässt. Zu diesem Zweck werden beispielsweise auch Plandrehköpfe eingesetzt. Plandrehköpfe sind rotationsfähige Werkzeug köpfe, die es ermöglichen, eine Schneide radial zur Rotationsachse der Spindel zu verlagern. Verwirklicht wird dies beispielsweise in Werkzeugmaschinen mit Sonderkomponenten, wie beispiels- weise Spindeln mit zweistufigen Planetengetrieben und zusätzlichem externem Antrieb, der es ermöglicht, bei rotierender Spindel die Antriebswelle für den Planschieber zu verstellen. In gängigen Spindel- und Werkzeugschnittstellen wird zu diesem Zweck eine elektrische Übertragungsschnittstelle mit einem Drehübertrager ohne Beeinträchtigung der Funktionalität der Mecha- nik integriert, die einen Bearbeitungskopfwechsel ermöglicht. Grundsätzlich kann die Übertragungsschnittstelle in Form eines elektrischen berührungslo- sen und/oder kontaktierenden Drehübertragers am kopfseitigen Ende oder am rückwärtigen Ende der Spindel angeordnet werden.
Bekannte Werkzeugmaschinen dieser Art bedürfen je nach Komplexität der durchzuführenden Bearbeitungsschritte und des mechatronischen Aufbaus eines erheblichen Konstruktions- und Verdrahtungsaufwands, der auch bei gleichartigen Aufgaben herstellerspezifische Unterschiede aufweist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Werkzeugma- schinen der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass der Konstruktions- und Verdrahtungsaufwand vereinfacht und herstellerübergreifend standardisiert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, dass die Maschinenspindel und die Bearbeitungsköpfe von Werkzeugmaschinen eine Vielzahl von aktorischen und sensorischen Funktionsmodulen aufweisen, die durch ein spindelseitiges und ein kopfseitiges standardisiertes Bussystem in einfacher Weise über eine zentrale Maschinensteuerung angesteuert werden können. Um dies zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Maschinenspindel eine Mehrzahl von spindelseitigen Funktionsmo- dulen sowie ein einen Bestandteil eines Spindelbus bildendes Leitungssystem aufweist, an das die spindelseitigen Funktionsmodule in Form von Teilnehmerstationen oder Busteilnehmern des Spindelbus angeschlossen sind, wobei der Spindelbus zusätzlich über die Drehübertragungsstrecke mit einem gestellfesten Feldbus kommuniziert. Wegen der häufig hohen Spindel- drehzahlen werden die Daten zweckmäßig berührungslos von der Statorseite zur Rotorseite oder umgekehrt übertragen, beispielsweise über eine induktive, kapazitive oder optoelektronische Übertragungsstrecke oder per Funk. Die Drehübertragungsstrecke erfordert eine Anpassung der Übertragungsprotokolle, so dass der Spindelbus zweckmäßig eine mit dem Feldbus vorzugsweise über einen Feldbusadapter kommunizierenden rotorfesten Protokollkonverter aufweist. Ein Protokollkonverter konvertiert dabei Protokolle zwischen protokollmäßig unterschiedlichen Bussystemen. Protokollkonverter können Software- oder Hardwareprodukte sein oder auch beliebige Kombinationen von beiden.
Da an der Maschinenspindel eine Vielzahl unterschiedlicher Bearbeitungs- köpfe einwechselbar sind und die Bearbeitungsköpfe die unterschiedlichsten Aufgaben haben können, weisen die Bearbeitungsköpfe eine Mehrzahl unterschiedlicher kopfseitiger Funktionsmodule auf. Zweckmäßig wird auch im Bearbeitungskopf ein einen Bestandteil eines Kopfbus bildendes Leitungssystem vorgesehen, an das die kopfseitigen Funktionsmodule in Form von Busteilnehmern des Kopfbus angeschlossen sind. Der Kopfbus kommuniziert dabei über eine Trennstelle mit dem Spindelbus und damit auch mit dem gestellfesten Feldbus. In der Regel enthalten sowohl die Maschinenspindel als auch der Bearbeitungskopf sensorische und/oder aktorische Funktionsmodule.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Maschinenspindel mindestens ein spindelseitiges Funktionsmodul aus der Gruppe Temperatursensor, Schwingungssensor, Kraftsensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor, Sperrluftsensor, Schmierzustandssensor, Drehzahlsensor, Beschleunigungssensor als Messglied und/oder aus der Gruppe Sperrluftventil, Stellantrieb, pneumatisches oder hydraulisches Magnetventil, Schmiermitteldosierer, Kühlmitteldosierer, Spindelmotor als Aktor auf.
Wenn Spindelbus und Kopfbus miteinander kompatibel sind, können sie an der Trennstelle galvanisch verbunden werden. Bei unterschiedlichen Bussystemen müssen entsprechende Protokollkonverter eingesetzt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Bearbeitungskopf mindestens ein kopfseitiges Funktionsmodul aus der Gruppe Linear- oder Drehschieber, Stellantrieb, Antriebsmotor, Drehgeber, Positionssensor, Dosierer, Heizelement, Laser, Temperatursensor, Beschleunigungssen- sor aufweist. Der Stellantrieb und der Antriebsmotor sind dabei zweckmäßig für die Schieberbetätigung vorgesehen, während Drehgeber und Positionssensor für die Positionsmessung innerhalb eines Schiebersystems vorgesehen sind. Für den Reinigungs-, Schweiß- und Lötvorgang kommen dagegen bevorzugt die Dosierer sowie Heiz- und Kühlmodule in Betracht.
Die kopfseitigen Funktionsmodule sind bevorzugt mit einem Werkzeug aus der Gruppe Schneidwerkzeug, Bohrwerkzeug, Fräswerkzeug, Reibwerkzeug, Schweißwerkzeug, Lötwerkzeug, Härtungswerkzeug, Beschichtungswerk- zeug, Beschriftungswerkzeug, Reinigungswerkzeug, Messwerkzeug, Kamera ausgestattet.
Als Spindelbus und/oder Kopfbus kommt vorzugsweise ein standardisierter Feldbus, vorzugsweise ein CAN-Bus oder LIN-Bus in Betracht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Drehübertragungsstrecke eine Sende- und Empfangseinheit für die berührungslose, bidirektionale Datenübertragung aufweist.
Weiter kann die Drehübertragungsstrecke zusätzlich eine Sende- und Empfangseinheit für die berührungslose oder galvanische Energieübertragung aufweisen. Der Spindelbus und der Kopfbus können über ein gestellfestes Bussystem mit einer zentralen Maschinensteuerung verbunden sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schema einer Spindel- und Kopfsteuerung einer Werkzeugmaschine für die Werkstückbearbeitung; Fig. 2 ein Schema eines gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsbeispiels der Spindel- und Kopfsteuerung einer Werkzeugmaschine für die Werkstückbearbeitung.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellten Maschinenspindeln 10 sind Bestandteil einer Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Komplettbearbeitung, das zusätzlich ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Werkzeugmagazin sowie eine Handhabungsvorrichtung für die Maschinenwerkzeuge aufweist. Die Maschinenspindel 10 ist innerhalb der Werkzeugmaschine in einem Maschinengestell angeordnet, an welchem sie beispielsweise an einem Kreuztisch in drei Achsen X, Y, Z verschiebbar sowie drehbar angeordnet oder motorisch angetrieben ist. An einer mechanischen und elektrischen Trennstelle 14 der Maschinenspindel 10 ist ein Bearbeitungskopf 12 einwechselbar, der ein mit einer Aufnahme der Maschinenspindel kompatibles Kupplungselement aufweist. Weiter ist ein Drehübertrager 16 für die Datenübertragung zwischen einem gestellfesten Stator 18 und einem spindelfesten Rotor 20 vorgesehen.
Weiter umfasst die Werkzeugmaschine eine zentrale Maschinensteuerung 22 (NC-Steuerung), mit der u. a. die Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 24 im Bearbeitungsraum der Werkzeugmaschine gesteuert wird. Durch die Verwendung dreier senkrecht aufeinanderstehender Achsen X, Y und Z kann jeder Punkt im Bearbeitungsraum erreicht werden. Zusätzlich ist bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ein Bearbeitungskopf 12 mit einem abhängig von den Bewegungsachsen der Spindel 10 verschiebbaren Planschieber 26 vorgesehen, der eine zusätzliche, unabhängig ansteuerbare U-Achse bildet. Grundsätzlich lassen sich anstelle des in der Zeichnung dargestellten Planschiebers 26 als Bearbeitungskopf auch andersartige Werk- zeuge, wie Schneidwerkzeug, Bohrwerkzeug, Fräswerkzeug, Reibwerkzeug, Schweißwerkzeug, Lötwerkzeug, Härtungswerkzeug, Beschichtungswerk- zeug, Beschriftungswerkzeug, Laser, Reinigungswerkzeug, Messwerkzeug und dergleichen einsetzen.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Spindel- und Kopfsteuerung der Werkzeugmaschine besteht darin, dass die Maschinenspindel 10 eine Mehrzahl von spindelseitigen Funktionsmodulen 28', 28", 28"' sowie ein Leitungssystem aufweist, das einen Bestandteil eines Spindelbus 30 bildet. Die spin- delseitigen Funktionsmodule 28', 28", 28"' sind unter Bildung von Teilnehmerstationen an den Spindelbus 30 angeschlossen. Der Spindelbus kommuniziert seinerseits über die Drehübertragungsstrecke 16 mit einem gestellfesten Feldbus 32. Die in den beiden Ausführungsbeispielen gezeigten Funktionsmodule 28', 28", 28"' können sowohl als Sensoren als auch als Aktoren ausgebildet sein. Zur Überwachung der Spindel 10 sind eine Vielzahl solcher Funktionsmodule vorgesehen, die zum überwiegenden Teil über die zentrale Maschinensteuerung 22 überwacht, gesteuert und geregelt werden können. Ohne auf den internen Aufbau der Maschinenspindel 10 im Einzelnen einzugehen, kommen hierfür spindelseitige Funktionsmodule 28', 28", 28"' aus der Gruppe Temperatursensor, Schwingungssensor, Kraftsensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor, Sperrluftsensor, Schmierzustandssensor, Drehzahlsensor, Beschleunigungssensor, Relativbeschleunigungssensor als Messglieder und/oder aus der Gruppe Sperrluftventil, Stellantrieb, pneumatisches oder hydraulisches Magnetventil, Schmiermitteldosierer, Kühlmitteldosierer, Spin- delmotor, Antriebe, wie z. B. Rotations-, Stell- oder Lineardirektantriebe, Wandler elektrischer Größen als Aktor in Betracht. Einzelne Teilnehmerstationen können auch als Kombinationsmodule beispielsweise bestehend aus Drehzahlsensor oder aus Stellantrieb als Sperrluftsensor und Sperrluftventil ausgebildet sein.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass auch der Bearbeitungskopf 12 eine Mehrzahl von kopfseitigen Funktionsmodulen 34', 34", 34"' sowie ein einen Bestandteil eines Kopfbus 36 bildendes Leitungssystem aufweist. Die kopfseitigen Funktionsmodule 34', 34", 34"' sind dabei unter Bildung von Teilnehmerstationen an den Kopfbus 36 angeschlossen, wobei der Kopfbus 36 an der Trennstelle 14 mit dem Spindelbus 30 oder einer ei- gens hierfür vorgesehenen Verbindungsleitung 37 kommuniziert. Ohne auf den speziellen Aufbau des Bearbeitungskopfes 12 näher einzugehen, kann der Bearbeitungskopf 12 mindestens ein Funktionsmodul 34', 34", 34"' aus der Gruppe Linear- oder Drehschieber, Stellantrieb, Antriebsmotor, Drehgeber, Positionssensor, Dosierer, Heizelement aufweisen. Weiter können die Funktionsmodule 34', 34", 34"' des Bearbeitungskopfes 12 mit einem Werkzeug 24 aus der Gruppe Schneidwerkzeug, Bohrwerkzeug, Fräswerkzeug, Reibwerkzeug, Schweißwerkzeug, Lötwerkzeug, Härtungswerkzeug, Be- schichtungswerkzeug, Beschriftungswerkzeug, Reinigungswerkzeug, Messwerkzeug ausgestattet sein. Die vorstehenden Aufzählungen der Funktions- module sind beispielhaft und daher nicht vollständig.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist angedeutet, dass der Spindelbus 30 und der Kopfbus 36 über die berührungslose Drehübertragungsstrecke 16 zwischen dem spindelfesten Rotor 20 und dem gestellfes- ten Stator 18 drahtlos über einen zusätzlichen Feldbusadapter 38 mit dem Feldbus 32 der zentralen Maschinensteuerung 22 verbunden sind.
Die Maschinensteuerung 22 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine NC-Steuerung 43 mit einem PLC-Interface 40, 40' und einem Achsen- interface 42, 42', die Ausgangsdaten über ein analoges NCA-Steuergerät 44 und einen Modulator 46, der die Daten auf ein Trägersignal aufmoduliert und über die Datenübertragungsstrecke 16 zwischen Stator 18 und Rotor 20 berührungslos zur Übertragung bringt. Zur Anpassung der Protokolle zwischen unterschiedlichen Bussystemen ist sowohl in der Spindel 10 als auch im Be- arbeitungskopf 12 ein Protokollkonverter 48, 50 angeordnet. Wie aus Fig. 2 außerdem zu ersehen ist, kann die digitale NC-Steuerung ü- ber einen standardisierten Feldbus 32 und einen Feldbuskoppler 52 auch unmittelbar über die Leitung 54 mit dem Modulator 46 der Drehübertragungsstrecke 16 kommunizieren. Als Spindelbus 30 und als Kopfbus 36 wer- den vorteilhafterweise standardisierte Feldbussysteme, wie z. B. ein CAN- Bus eingesetzt, so dass ohne großen Aufwand Werkzeugköpfe unterschiedlicher Hersteller angeschlossen werden können.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinengestell, mit einer am Maschinengestell drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Maschinenspindel 10 und mit mindestens einem an der Maschinenspindel 10 einwechselbaren Bearbeitungskopf 12. Der Bearbeitungskopf 12 weist ein mit einer Aufnahme der Maschinenspindel 10 kompatibles Kupplungselement auf. Weiter ist ein Drehübertrager 16 für die Datenübertragung zwischen einem gestellfesten Stator 18 und einem spindelfesten Rotor 20 vorgesehen. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Maschinenspindel 10 eine Mehrzahl von spindelseitigen Funktionsmodulen 28', 28", 28"' sowie ein einen Bestandteil eines Spindelbus 30 bildendes Leitungssystem aufweist, an das die spindelseitigen Funktionsmodule 28', 28", 28"' unter Bildung von Teilnehmerstationen des Spindelbus 30 angeschlossen sind und wobei der Spindelbus 30 über die Drehübertragungsstrecke 16 mit einem gestellfesten Feldbus 32 kommuniziert. Vorteilhafterweise weist auch der Bearbeitungskopf 12 eine Mehrzahl von kopfseitigen Funktionsmodulen 34', 34", 34"' so- wie ein einen Bestandteil eines Kopfbus 36 bildendes Leitungssystem auf, an das die kopfseitigen Funktionsmodule unter Bildung von Teilnehmerstationen angeschlossen sind und wobei der Kopfbus 36 über eine Trennstelle 14 mit dem Spindelbus 30 kommuniziert. Bezuqszeichenliste
10 Maschinenspindel
12 Bearbeitungskopf
14 Trennstelle
16 Drehübertrager
18 Stator
20 Rotor
22 Maschinensteuerung
24 Bearbeitungswerkzeug
26 Planschieber
28', 28", 28' spindelseitige Funktionsmodule
30 Spindelbus
32 gestellfester Feldbus
34', 34", 34 kopfseitige Funktionsmodule 36 Kopfbus
37 Verbindungsleitung
38 Feldbusadapter
40, 40' PLC-Interface
42, 42' Achsen interface
43 NC-Steuerung
44 NCA-Steuergerät
46 Modulator
48 Protokollkonverter
50 Protokollkonverter
52 Feldbuskoppler
54 Leitung